高动态范围图像_HDRI_编码及色调映射技术研究

收稿日期：2008-03-25

基金项目：佛山市科技发展制造业信息化重大专项资助项目（200701007）

高动态范围图像（High Dynamic Rang Image, HDRI ）技术是近年来数字图像领域的重要发展和突破，较之于传统的把像素色彩分解为3个8

位RGB 通道来记录的方式，HDRI 图像采用16

位或32位的浮点数据来记录像素信息，能够更加准确记录真实场景的全部色彩范围值，表现丰

2010年 工 程 图 学 学 报 2010第1期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.1

高动态范围图像(HDRI)编码及

色调映射技术研究

范劲松， 范彦斌， 裴继刚

（佛山科学技术学院，广东 佛山 528000）

摘 要：在分析和讨论了高动态范围图像的基本理论和获得技术的基础上，深入剖析和研究了高动态范围图像编码的几种技术方法和途径，并分析了各自的特点和应用。同时还讨论了高动态范围领域中的色调映射技术，特别针对高动态范围图像色调映射中的背景强度的计算方法进行了研究，最后还对高动态范围图像技术的应用领域和前景进行了展望和预测。

关 键 词：计算机应用；高动态范围图像；色调映射；图像编码 中图分类号：TP 391

文献标识码：A 文 章 编 号：1003-0158(2010)01-0124-05

Studying on High Dynamic Range Image Encoding and

Tone Mapping Technology

FAN Jin-song, FAN Yan-bin, PEI Ji-gang

( Foshan University, Foshan Guangdong 528000, China )

Abstract: Based on the discussing of the fundamental concept and acquisition technology of

High Dynamic Range Image (HDRI), several encoding technical methods and approaches of HDRI are analyzed and studied, and characteristics and applications are explored respectively. Meantime, tone mapping technology of HDRI is also discussed, and the calculation of background intensity is studied. Finally, the application fields of HDRI are prospected and forecasted.

Key words: computer application; high dynamic range image; tone mapping; image encoding

富的色彩细节和明暗层次。据目前最新的研究表明，HDRI图像是数字图像的未来和明天，将有着十分宽广的应用领域。

最近国外学者对它的研究已经日渐成熟[1-3]。然而，HDRI的应用研究在国内却没有引起足够的重视，目前的应用主要集中在电脑游戏方面，和作为渲染时的环境、纹理贴图时的技术方法。人们认为高动态范围图像（HDRI）仅仅是众多格式的数字图像中的一个选项，很少有人意识到它实际上是今后发展的重要方向。本文力图对高动态范围（High Dynamic Rang, HDR）技术的基本理论和一些关键技术进行研究和探讨。

1 HDR技术基础

动态范围是指一个物理测量量的最大值与最小值之比。对于不同的对象它有不同的含义，就实际环境而言，它指场景中最亮和最暗部分的比值；对于数字相机，它指从饱和值到镜头噪波之比；对于显示器来讲，它指从屏幕发出的最大亮度和最小亮度之比。就数字图像而言，动态范围d是指一个数字图像中最大和最小光度(Luminance)的比值，即

d =L max/L min

这里光度的单位用每平方米上的坎德拉（烛光）表示，即cd/m2。数字图像的动态范围大小主要影响图像所能够记录的细节的丰富程度，是衡量图像质量的重要指标。

人眼能够观察的动态范围是很宽的，夜晚人们能够看到晴朗星空的光度大约为0.001 cd/m2，而明亮阳光照射下的场景大约有100,000 cd/m2的光度，而太阳自身的光度大约为109 cd/m2，，如图1所示。

星空 月光 室内照明 室外 室外 太阳

(多云) (晴朗)

光度0.00001 0.001 1 100 10,000 1,000,000 10^8 图1 各种情况下的光度值（单位cd/m2）

这样计算出来的动态范围将是一个很大的数字，因此常用对数的形式表示动态范围D，即：D=log10(L max/L min)。据有关研究数据表明，在瞳孔不放大也不缩小的情况下，人眼所能够观测到的动态范围（即瞬时动态范围）为3.0~4.2，而在允许瞳孔缩放的情况下，人眼的动态范围值将达到9。人眼的这种观察能力是目前流行的图像表示方法所不能达到的。

一个普通的场景的动态范围能够达到10,000:1，在极端的情况下甚至可以达到109:1。目前常用的数字图像所能够记录动态范围都是有限的，称之为低动态范围（LDR）图像，高动态范围数字图像的每个像素可以准确记录真实场景的全部色彩范围值。HDR图像具有的另外一个特性是它存储的是线性值，即每个像素的值与测量到的实际环境的光度值成正比，称这种特性为场景相关性。

2 HDR图像数据编码技术的对比

研究

对于数字图像来说，如何存储图像数据是一个重要的问题。由于HDR图像比传统的24位RGB图像记录了更宽的色彩范围，因而需要更加有效的编码方法来利用存储空间。图像的编码（Encoding）指对单个像素数据的表示，而图像格式（Format）指如何打包整幅图像的全部像素[4]。最后图像的质量主要取决于图像的编码而不是图像格式。因此，在此仅讨论图像的编码问题。

2.1RGBE编码

RGBE编码方法是美国劳伦斯贝克利国家实验室推出的基于物理世界的渲染软件“Radiance”时开发的，文件扩展名为.hdr，.pic。它在HDR 摄影和基于图像的光照渲染中得到广泛的运用。RGBE使用4个字节来表示一个像素，其中3个8位的字节分别表示RGB分量，1个8位字节表示指数值（如图2所示），此指数值用作对其它3个线性色彩值的缩放比例系数。

假设场景相关的色彩为R

W

、G

W

、B

W

，那么RGBE中的R M、G M、B M分量由下式计算

Red Green Blue Exponent

图2 Radiance的32位RGBE编码

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